Brittle Fracture and MPT Determination for Upstream Equipment

(Upstream 장치물에 대한 취성파괴 및 MPT 결정)

1998. 1.

Brittle Fracture and MPT Determination for Upstream Equipment

목 차1. 취성파괴 및 취화기구

2. Chevron 압력용기에서 발생한 취성파괴

3. 파괴인성(Fracture Toughness)의 측정법

4. 운전 중 취화의 효과(Effects of In-Service Embrittlement)

5. Upstream(Existing Upstream Equipment)에 대한 취성파괴의위험도 평가

6. 압력용기에 대한 MDMT(Minimum Design Metal Temp.)의 결정

7. MDMT 결정 사례들

8. 허용 가능한 MDMT 의 감소량

9. 압력용기 MDMT 결정시 특별한 경우들

10. Autorefrigeration

11. MDMT 를 결정할 수 경우

12. 탱크 MPT 설정

13. 내압이 있는 배관의 MDMT 결정

14. 배관 MDMT 설정의 특별한 경우

15. 탱크 및 압력용기의 수압시험에 대한 MDMT 의 효과

16. 신규 장치물의 강 종(Steels) 선택

17. 취성파괴, MPT, MDMT 에 대한 추가 정보

첨부 A : Charpy Impact Test Exemption Curves

첨부 B : 외국 표준에 의해 제작된 장치물

Brittle Fracture and MPT Determination for Upstream Equipment

1. 취성파괴 및 취화기구 (Brittle Fracture and Embrittlement Mechanisms)

1.1. 배경

- 금속으로 제작된 용기나 배관을 설계 혹은 실험할 때, 금속은 연성이 있다고 가정한다.- 즉, 용기의 두께가 감소함에 따라 길이 및 크기가 증가하며, 상당한 변형이 있은

후에 파손된다

- 주철은 모든 온도에서 취성을 띠며 압력을 받는 정유공장의 장치물에는 거의 쓰이지 않는다.

- 상온 및 그 이하에서 탄소강(carbon steels), 저합금강(low-alloy steels), 크롬강(Chromium steels : carbon-Mn, ½Mo, 1¼Cr-½Mo, 2¼Cr-1Mo, 5Cr, 12Cr steel 등을 포함)은 연성-취성 천이를 겪을 수 있으며 취성파괴에 민감해 질 수 있다.

- 온도가 낮아 질 수록 취성파괴는 쉽게 일어나며, 아주 작은 변형 혹은 변형이 없어도 강은 파손된다.

- Ferritic 미세구조의 강들 만 저온에서 취화된다 .- Austenitic SUS(300 계열의 강들), Al, Ni 합금은 취성파괴에 민감하지 않다.- 취성파괴는 강의 항복응력 이하에서 어떠한 징후도 없이 일어 날 수 있다 .

1.2 취성파괴에 영향을 주는 인자들 (Fracture Affecting Brittle Fracture)

재료의 성질(Material Properties)

가해진 인장응력(Applied Tensile Stress and stress loading rate)

결함의 존재(Presence of a flaw)

Figure 1. Interdependence of factors affecting brittle fracture.

1.2.1. 재료의 성질(Material Properties)

- 화학적 조성과 제조방법

연강(wrought steel), 열처리(불림 - Normalizing, 급냉 - Quenching, 뜨임 - Tempering)한 강, 결정립을 미세화한 강이 주조, rolling, 결정립을 조대화한 강들 보다 취성파괴에 덜 민감하다.

- 고농도의 S, P, Si 같은 불순물을 포함하는 강이 취성파괴에 더 민감하다 .- 온도

온도가 감소함에 따라 강 고유의 파괴인성도 감소

- 두께

두꺼운 재료는 rolling, forming, 열처리 등의 제조공정시 기계적 성질의 개선 효과가 적고 두꺼운 부위는 구속(inherent restraint)이 많이 되어 있으므로 소성변형 효율이 저하된다. 이 두께 효과 때문에 취성파괴는 0.1 inch 보다 얇은 강재에서는 보통 문제가 되지 않는다 .

1.2.2. 가해진 인장응력(Applied Tensile Stress)

- 가해진 인장응력의 양

ASME 규격에 의하면 취성파괴는 가해진 응력이 6 ksi 보다 작을 때는 어떠한 용기에서도 문제가 되지 않는다 .

- 응력이 가해지는 속도

갑작스러운 내압의 증가는 취성파괴의 위험을 증가 시킨다.

1.2.3. 결함의 존재(Presence of a flaw)

결함은 국부적으로 응력의 집중을 유발하여 상대적으로 국부지역에 응력을 증가시킨다. 취성파괴는 결함의 크기와 수가 증가함에 따라 일어날 가능성이 커진다. 용접결함에서 취성파괴가 시작되는 것이 일반적이다 .

2. Chevron 압력용기에서 발생한 취성파괴(Occurrence of a Brittle Fracture of a Chevron Pressure Vessel)그림 2.는 1982 년 겨울 취성파괴가 일어난 Chevron 의 장치물이다.- 파손된 용기: 두께 1 inch, 직경 10 feet, 높이 30 feet 의 LPG 용기

- 재질 : ASME A212 Grade B- 파괴 당시 기온 : -20℉( -29℃)- 충격인성 : -29℃에서 단지 2ft-lbs 의 Charpy 충격인성

- 사용년수 : 30 년

- 파손원인 : 온도가 충분히 낮고, 내압(SK 의 경우 5 ~ 20 kg/cm2)은 높았으며 용기 내면에 이미 존재하던 결함이 충분히 성장하였음

최근에 제작된 재료일 수록 강은 더 인성이 크며, 오늘날 제조되는 대부분의 강재는 -29℃에서 조차 적어도 15ft-lbs 의 인성을 지닌다.

Figure 2. Top and Bottom : Results of a brittle fracture of a Chevron LPG Vessel.

3. 파괴인성의 측정법(How Fracture Toughness is Measured)

- 파괴인성 : 강재가 파괴 및 균열의 전파에 저항하는 능력

- 파괴인성의 간단한 측정법 : 규격화된 Charpy 시험편으로 Charpy 충격실험을 하는 것

- Charpy 충격인성곡선 : 시험편이 두 조각으로 파괴되는데 필요한 에너지를 각 온도별로 기록한 곡선

- Charpy 곡선의 S 자 모양은 탄소강과 저합금강에서 공통적으로 볼 수 있다. - “Lower shelf” : 파괴는 거의 100% 취성파괴

- 온도가 증가함에 따라 강의 인성치는 증가한다.- “Upper shelf” : 100% 연성파괴

- 15 ft-lbs 의 Charpy 충격값이면 강재가 취성파괴를 견디기에 충분하며 대부분의 강재는 Upper shelf 지역에서 적어도 15 ft-lbs 의 충격인성을 지님

- 연성 - 취성 천이영역 : 온도가 증가함에 따라 취성을 띠다가 인성을 나타냄

- 연성-취성 천이 온도(DBTT - ductile brittle transition temperature) : 파괴는 연성 50%, 취성 50%

- 15 ft-lbs 는 취성파괴를 방지 하기에 충분한 값으로 간주되므로, “15 ft-lbs 천이온도 (15 ft-lbs TT)”라는 용어도 가끔 사용됨

Figure 3. Charpy V-notch energy absorption curve for a typical carbon steel.

4. 운전 중 취화의 효과(Effects of In-Service Embrittlement)

- 일부 강재들은 높은 운전 온도에 노출되면 연성에서 취성으로 변함

- 일반적으로 뜨임취화 (temper embrittlement) , 저합금강의 creep 취화 , 스테인레스강의 sigma 상 과 885 ℉ 취화 가 고온의 정유 장치물에서 발생

- Creep 취화를 제외한 나머지들은 상온 혹은 그 이하에서 금속을 취화시킴

- 이 취화기구들은 upstream 에서는 드물다.4.1. 고온 취화의 기구(High Temperature Embrittlement Mechanisms)

4.1.1. Temper and Carbide Embrittlement2 ¼ Cr-1Mo 또는 3Cr-1Mo 판재와 용접부가 700 ~ 1000 ℉ 의 운전온도에

노출될 때, 야금학적인 반응 특히, 결정립계에서 불순물들의 편석 때문에 취화될 수 있다. 뜨임취화(temper embrittlement)는 연성취성 천이온도(ductile-to-brittle transition temperature)를 높인다. DBTT 의 증가는 2¼Cr-1Mo 강으로 제작된 용기가 상온 및 그 이상에서 취성파괴에 민감하게 만든다.1Cr-½Mo 와 1¼Cr-½Mo 강 모두 700 ~ 1100℉에서 취화 되지만 2¼Cr-1Mo

보다는 심하지 하다. 이들 저합금강의 취화기구는 뜨임취화라기 보다는 ferrite 상에서 탄화물의 석출이다 .

Figure 4. Increase in ductile-to-brittle transition temperature for a typical low-ally steel,as the result of in-service temper embrittlement.

4.1.2. Sigma Phase Embrittlement17% 이상의 크롬 을 함유하는 크롬강에서 발생할 수 있으므로 300 계열의

스테인레스강, duplex 스테인레스강, 일부 400 계열의 스테인레스강이 1100 ~ 1700 ℉ (593 ~ 927 ℃ ) 의 온도에 노출되었을 때 sigma 상 취화가 발생한다. 용접부의 ferritic 상 또한 sigma 상의 형성에 매우 민감하다. Ferrite 가 sigma상 형성에 매우 민감하기 때문에, 운전 중 고온에 노출되거나 용접후열처리를 할 때 스테인레스강의 ferrite 함량을 제한해야 한다. 예를 들면, 347 SUS 용접부의 ferrite 양을 보통 3 ~ 10%로 제한한다. Sigma 상이 형성되면 , 스테인레스강은 500 ℉ (260 ℃ ) 정도의 고온에서도 취성을 보일 수 있다 .

4.1.3. 885℉(474℃) Embrittlement크롬강이 700 ~ 1000 ℉ (371 ~ 538 ℃ ) 에서 운전 되면 취화된다. Sigma 상

취화에서와 마찬가지로 885℉ 취화의 원인도 이차 취화상들(brittle secondary phases)의 형성이다. 대부분의 300 계열의 스테인레스강에서는 885℉ 취화가 일어나지 않지만 용접부 , 주물 , duplex 스테인레스강의 ferrite 상들은 885 ℉ 취화에 민감하다 . 따라서 내압이 걸리는 고온 환경에서는 , 400 계열 스테인레스강의 사용을 피해야 한다 .

4.1.4. Creep EmbrittlementCreep 취화는 노치(notch) 또는 결함(defects)주위의 creep 파괴강도(creep

rupture strength)를 현저히 떨어뜨린다. Creep 취화는 고온에 노출되어 있는 동안 균열을 유발한다. 대부부의 upstream 은 creep 취화의 영향을 받기에는 너무 온도가 낮다.

4.2. MDMT’s for Existing Pressure Vessels which are Subject to In-Service Embrittlement앞에 기술한 바와 같이 저합금강으로 제작된 용기는, 750℉(399℃) 이상의 온도에

노출되면, 운전 중에 취화된다. 아래에 저합금강에 대한 기준을 제시하였다.

4.2.1. 1¼Cr-½Mo Pressure Vessels 불림과 뜨임을 한 1¼Cr-½Mo 로 제작된 용기가 750℉ 이상에서 운전 중인

경우에는 ASME Section VIII, Div. 1, Figure UCS-66 혹은 Div. 2, Figure AM-218.1 의 곡선 A 를 사용하라.

풀림한 1¼Cr-½Mo 강이 임의의 온도에서 운전되고 있다면, 위에서와 마찬가지로 곡선 A 를 사용하라.

그 밖의 750℉ 이하에서 사용되는 용기들(불림 또는 불림과 뜨임을 한 용기도 포함해서)은 곡선 B 를 사용한다.

4.2.2. 2¼Cr-1Mo Pressure Vessels2¼Cr-1Mo, Class I 강재로 재작한 용기의 MPT 는 160℉(1983 년 이전에

뜨임취화를 고려하지 않고 구매한 재료들), 혹은 120℉(1983 년 이후 뜨임취화를 고려하여 구매한 재료들)이다.2¼Cr-1Mo, Class II 강재는 반응기에 흔하게 쓰이며, 이들의 MPT 는 이미 강

종에 따라 정해져 있다.

5. Upstream 에 대한 취성파괴의 위험도 평가(Assessing the Risk of Brittle Fracture for Existing Upstream Equipment)

5.1. 배경

먼저 필요한 것은 ASME 규격, API RP 920 의 “Prevention of Brittle Fracture of Pressure Vessels”과 곧 출간 될 API RP 579, “API Recommended Practice for Fitness-for-Service.”에서 사용되는 용어를 정의하는 것이다.

API 579 는 결함의 크기를 알고 지속적인 관찰이 가능하며 결함이 취성파괴가 일어날 수 있는 임계크기에 도달하지 않는 한, 결함이 있는 용기의 사용적정성여부를 판단할 수 있다는 점에서 API 920 과 다르다.

API 579 가 API RP 920 “Prevention of Brittle Fracture of Pressure Vessels”를 대체 하겠 지만, 알려진 결함이 없는 용기의 취성파괴 방지법은 현행의 API PR 920과 ASME 규격에 있는 것과 같을 것이다.

5.2. 용어설명(Descriptions of Terms)

5.2.1 최대 허용 운전압력(MAWP - Maximum Allowable Working Pressure)- 정의 : 용기의 설계온도에서 허용할 수 있는 최대 압력 ( ASME 규격)- 간단히 생각하면 용기가 설계온도(보통 650℉(343℃) 또는 운전조건 중

최고온도)에서 Safety Margin 이내에서 유지할 수 있는 최고압력

- ASME 규격을 따르는 용기는 장치물의 “U-1 Form, Manufacturer’s Data Report”상에 표기된다. Section VIII, Div. 1 을 따르는 용기는 크기와 두께에 따라 용기 제작자가 “Maximum Allowable Stress Values in Tension”이라는 제목의 표를 사용하여 각 강재 별로 결정한다(예를 들어 탄소강과 저합금강에 대해서는 Table UCS-23).

- ASME Section VIII, Divi. 2 를 따르는 용기의 MAWP 는 “Design Stress Intensity Values in Tension”이라는 제목의 표를 사용하여 각 강재(예를 들어 탄소강에 대해서는 Table ACS-1)별로 결정한다.

- Code 에 따라 제작한 모든 용기의 MAWP 는 압력용기의 nameplate 에 표시해야 한다.

5.2.2. 최소 가압 온도(MPT - Minimum Pressurizing Temperature)- 정의 : Div. 1 을 따르는 용기는 MAWP 의 40% 이상, Div. 2 인 경우 25% 이상의

압력을 견딜 수 있는 최소 온도(ASME 규격)- MPT 이하의 온도에서 강재는 취성파괴에 매우 민감함

- 취성파괴의 위험을 줄이는 가장 단순한 방법은 용기의 온도가 MPT 이하일 때는 압력(MAWP 의 40% 이하)을 낮추는 것이다.

- Chevron 은 모든 용기의 설계와 MPT 결정을 위해 ASME Section VIII, Div. 1 의 UCS-66 에 있는 Impact Test Exemption Curves 를 사용함

- MPT 는 충격실험을 할 용기의 실험온도로 종종 쓰임

- MPT 는 가압 시 장치물의 온도가 낮은 ( 거의 상온에 가까운 ) Start-up 과 Shutdown 때에 가장 중요함

- MPT 는 수압시험 중 에도 매우 중요하다. 장치물이 수압시험시 설계압력이상의

응력(보통 설계압력의 150%)을 받기 때문에, 금속의 온도가 MPT 보다 반드시 높아야 한다 . 이는 수압시험을 하는 물의 온도를 조절함으로써 가능하다.Note : Code Curve 를 근거로 한 MPT 는 고온 운전 후 취화되는 저합금강(1¼Cr-

½Mo, 2¼Cr-1Mo, 3Cr-1Mo)에는 맞지 않다. Chevron 은 운전 중 취화의 가능성이 있는 반응기에 대해 특별한 MPT 가 필요하게 되었다. 이 MPT 또한 Sigma phase 혹은 885℉(474℃) 취화에 의해 취화되는 스테인레스강에는 적당하지 않다.

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5.2.3. 최소설계금속온도(MDMT - Minimum Design Metal Temperature)- 정의 : 운전 중 예상되는 최저 온도 ( ASME Section VIII, Div. 1)- 전체 압력 (MAWP 의 100%) 을 가할 수 있는 최저 평균금속온도로 생각하는 것이

더 유용함

- ASME 규격의 Charpy Impact Test Exemption Curves 를 이용하거나 용기 제조에 사용한 재료로 Charpy 충격실험을 실제로 행하여 결정함

- 목적으로 보면 MDMT 와 MPT 는 동일하다 . 두 가지 경우 모두 , 내압을 MAWP 의 40% 에서 100% 까지 안전하게 증가시킬 수 있는 최저 온도를 정의한다 .

5.2.4. 임계 노출 온도(CET - Critical Exposure Temperature)- 이 용어는 조만간 출간될 API RP 579, “Assessment of Existing Equipment

for Brittle Fracture”에서 볼 수 있을 것이다.- 정의 : 장치물을 운전할 수 있는 최저 기온

- 보통 그 지역의 최저 일평균 온도에 해당

- U. S.와 남부 Canada 가 인접하는 지역의 최저 일평균온도를 그림 5.에 나타내었다.

- 그림 5.는 API Standard 650, “Welded Steel Tanks for Oil Storage.”를 인용한 것이다. 그림 5.의 지역에서 운전 중인 장치물은 그림에 표기된 최저 일평균 온도를 CET 로 사용해야 한다.

- 해저 장치물의 CET 는 그 위치에서의 최저 해수 온도이다. 예를 들어 북해의 해저 배관은 -3.9℃, 나이지리아의 천해의 배관은 15.6℃, 심해에서는 4.4℃가 CET 로 쓰일 수 있다.

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Figure 5. Isothermal lines of low

est one-day mean tem

peratures recorded for U.S. and Low

er Canada.

6. 압력용기에 대한 MDMT 의 결정(Determination of an MDMT for an Existing Pressure Vessel)

특별한 용기 또는 배관의 MPT 가 이미 있거나 MPT 가 없을 때 MDMT 결정

장치물의 재질과 두께를 근거로한 MPT 결정

6.1. 취성파괴의 위험을 평가하는데 필요한 자료(Information Which may be Required to Assess Risk for Brittle Fracture)장치물과 배관의 취성파괴의 위험을 평가하는데 유용한 자료는 다음과 같다. 운전압력 및 MAWP 정상 운전 온도 및 설계 온도

강의 등급(예를 들어 “A36” 또는 “A516 Grade 70”)을 포함한 제작 당시의 재질

각 요소의 제작 당시 혹은 현재의 두께

용접부 두께(제작 도면에 나타난 최적의 값) 용접 보수 및 개조 이력

열처리 이력(예를 들어 용접후열처리를 실시 하였는가?) 과거, 현재, 미래의 운전조건

장치물이 위치한 곳의 일평균 최저온도

- 대부분의 자료는 용기의 U-1 Form “Manufacturer’s Data Report”에서 찾을 수 있다. 그 밖에 장치물의 제작도면, 용접 상세도, 검사기록, 운전이력, 기상대 자료 및 첨부 A 의 U.S.와 남부 Canada 인접 지역의 지도와 같은 곳에서 자료를 찾을 수 있다.

- MDMT 를 결정하는 다음의 예들은 ASME, ANSI, API 와 같은 U.S. 규격과 표준에 따라 제작된 용기 및 배관에 대한 것들이다. 외국 규격에 따라 제작된 장치물의 MDMT 결정은 일반적으로 동일한 규칙에 근거를 두지만, 상이한 방법 및 도식화된 자료를 사용하기도 한다.

6.2. Level 1, 2, 3 의 취성파괴 평가(Level 1, Level 2, Level 3, Brittle Fracture Assessment)- API 579 는 “Level 1”, “Level 2”, “Level 3”로 이름 붙여진 압력용기평가 절차들을 담고 있다. 현장 operator 및 engineer 는 여기에서 기술하는 “Level 1” 평가의 요구 사항들에 익숙해져야 한다. Level 1 평가 는 관심이 되는 재료의 Charpy 충격실험결과의 유무 혹은 산업체에서 인정하는 impact test exemption curves 에 의존한다.

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- Level 1 을 통과하지 못한 압력용기 일지라도 MAWP 미만에서 사용되거나 , 설계압력 이상의 수압시험을 통과했거나 , Level 2 절차에 포함되어 있는 기본적인 규칙을 만족한다면 취성파괴로부터 안전하다 .

- Level 1, 2 모두 통과하지 못한 압력용기는 각 유형별로 복잡한 파괴역학과 위험도 해석을 하는 Level 3 평가를 수행한다면 안전하다고 생각된다.

6.2.1. Level 1 AnalysisStep 1: 기존의 MDMT 를 확인하는 단계

- 장치물의 MDMT 를 결정하는 첫 번째 단계는 제작자가 명시한 MDMT 가 이미 존재하는가를 알아 보는 것이다. 이 값을 “Form U-1, Manufacturer’s Data Sheet”, 용기의 nameplate, 제작도면, 최근의 Chevron Safety Instruction Sheets 등에서 찾아보라.

- MDMT 가 Chevron 의 SI Sheet 에만 있고 제작자의 문서에 없다면, MDMT 를 증명할 수 있는 근거자료를 찾거나 이 값을 계산한 사람을 찾아서 여전히 유효한지 알아 보아야 한다. 장치물의 특정 부위의 MDMT 가 불확실 하다면 다시 계산해야 한다.

Step 2: 재질과 두께를 근거로 하여 MDMT 결정에 Charpy Impact Test Exemption Curves 를 사용

Where to Find the Curves- Step 1 에서 유용한 MDMT 가 발견되었으면 사용하고, 발견되지 않았으면

문제의 장치물과 관련이 있는 규격의 Charpy impact test exemption curves 를 MDMT 결정에 사용한다.

- 첨부 A 에 3 가지의 Charpy impact test curves 를 나타내었다. 그림 A-1.은 ASME Section VIII, Div. 1 의 Figure UCS-66 을 인용한 Charpy impact test exemption curves 이며, Div. 1 에 따라 제작한 압력용기에 사용할 수 있다.

- 그림 A-2.는 ASME Section VIII, Div. 2 에 따라 제작된 용기들의 exemption curves 이다. 원본은 Section VIII, Div. 2 의 Figure AM-218.1이다.

- 그림 A-3.은 ASME/ANSI B31.3 에 따라 제작된 장치물과 배관에 대한 Charpy exemption curves 이며 Figure 323.2.2 를 인용한 것이다. 그림 A-3 에 없는 강재는 ASME/ANSI B31.3 Appendix A 의 Table A-1 을 참조하라.

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The Intent of the Curves- Exemption Curves 의 목적은 다년간의 실험과 운전 경험을 토대로 모든

강의 등급과 두께에 대해 취성파괴의 위험 없이 100% MAWP 에서 사용 가능하도록 충분한 인성을 가지는 온도를 제시하는 것 이다.

- Exemption curves 의 사용법은 세 가지 모두 동일하다.첫 째, 용기의 재질 및 등급을 결정

둘 째, 사용 가능한 Charpy 곡선 중 한 개를 재질 등급에 적용

세 째, 각 제작 재료의 가장 두꺼운 용접부(governing thickness 라 부름)를 제조 도면이나 문서를 통해 결정함

네 째, 곡선의 X축에서 일치하는 지배두께(governing thickness)와재질 및 등급이 일치하는 곡선을 선택하여 Y축의 값을 읽음

How to Determine the Grade of Steel Used- 먼저 용기제조에 사용된 강재의 등급을 결정하는 것이 필요하다. 이는 용기의

U-1 Form 으로부터 얻을 수 있다. Mill certificates 에서도 사용 강재의 등급을 알 수 있다. 최후의 방법으로 용기의 nameplate 에도 강재의 등급이 표기되어 있다.

- 그림 6.에 Reflux drum 의 U-1 Form 을 나타내었다. 항목 6 과 8 을 보면 Drum 이 ASTM A285, Grade C 강재로 제작된 것을 알 수 있다.

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Figure 6. U-1 Form for a Company reflux drum (pg. 1).

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Figure 6 (cont’d.). U-1 Form for a Company reflux drum (pg. 2).

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How to Assign the Steel Used to a Particular Curve

ASME Section VIII, Division 1

- ASME Section VIII, Div. 1 에서는 Charpy 충격인성치를 상대적으로 비교하여 모든 등급의 탄소강과 저합금강을 네 개의 범주로 나누었으며, 이 네 개의 범주 중 한 개에 각 등급이 해당된다(그림 A-1.과 Figure UCS-66 of the ASME Code Section VIII, Div. 1 참조). 최저 인성치를 갖는 강재를 곡선 A 에 나타내었다.

- ASTM A414 Grade A 는 A36 보다 인성이 크므로 곡선 B 에 해당한다. ASTM A533 Grade B, C 와 같이 인성이 더 좋은 강재는 곡선 C 에 속한다. 불림(Normalized)한 A516 과 같이 가장 인성이 좋은 강재는 곡선 D 에 속한다.

(Normalizing : rolling 후 일부 강재의 입자를 작게 하여 인성을 증가시킬 목적으로 행하는 열처리 작업)

ASME Section VIII, Division 2

- ASME Section VIII, Division 2 에서는 탄소강과 저합급강의 모든 등급을 다섯 개의 범주로 나눈다(그림 A-2.와 Figure AM-218.1 of the ASME Code Section VIII, Division 2 참조). 최저 인성치의 강재는 곡선 I 에 속한다. 인성이 증가함에 따라 강들은 곡선 II ~ V 에 각각 할당된다. 각 곡선에 해당되는 강재는 Figure AM-281.1 의 주석에 나타내었다.

ASME/ANSI B31.3

- ASME/ANSI B31.3 에서는 탄소강과 저합급강의 모든 등급을 네 개로 나눈다(그림 A-3.과 Figure 323.2.2 of Specification B31.3 참조). 최저 인성치의 강재는 곡선 A 에 속한다. 인성이 증가함에 따라 강들은 각각 곡선 B ~ D 에 속하게 된다. ASME/ANSI B31.3 의 Table A-1 에 모든 강의 등급이 열거되어 있으며, 여기에서는 지면 관계로 모두 표기하지는 않았다. 몇 가지 일반적인 강재들만 그림 A-3.에 나타내었으며 여기에 없는 강재는 B31.3, Appendix A 를 참조하기 바란다.

How to determine “governing thickness”- 용기의 강 종이 결정되고 Charpy impact exemption curves 중 한 개가

정해지면, 다음 단계는 강재의 지배두께 (governing thickness) 를 구하는 것이다.- 용접부(주물은 제외)의 지배두께는 API 579 에 다음과 같이 정의되어 있다.

Flat heads 나 tubesheets 를 제외한 맞대기 이음부는 용접부의 공칭두께(nominal thickness)를 사용함(그림 7a)

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Figure 7. Some typical vessel details showing governing thickness. Corner, fillet, lap 용접부는 연결된 두 부분 중 얇은 것을 택함(그림 7b, 7c)

Figure 7(cont’d). Some typical vessel details showing governing thickness.

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서로 다른 두께의 Flat heads 또는 tubesheets 는 최소 두께, 혹은 최대 두께 부위의 ¼ 을 사용함(그림 7d ~ 7f)

Figure 7 (cont’d). Some typical vessel details showing governing thickness.

보강판이 있는 nozzle-shell 용접부와 같이 둘 이상으로 구성된 이음부에서는 각 용접부에 대한 지배두께와 허용 가능한 MDMT 를 결정하여 이중 최대 MDMT 를 취한다.

- 또 API 579 에서는, 주물은 최대 공칭두께를 지배두께로 정의 하였고, bolted flanges, tubesheets, flat heads 와 같이 용접을 안한 것들은 각 두께의 ¼ 값을 지배두께로 정의하였다(그림 7d 참조).

- 원통형 shell 의 둘레 방향 혹은 long seam 맞대기 용접과 같이 단순 설계의 경우 지배두께는 보통 shell plate 의 공칭두께와 일치한다. 공칭두께는 장치물의 각 부위별 두께가 표시된 용기제작보고서(U-1 Form)에서 얻을 수 있다.

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- 그림 6.의 Reflux drum U-1 Form 을 참조하면, shell 과 heads 의 공칭두께는 9/16 inch 이다. 이 용기에 대한 제작도면이 있다면, 용접부 위치와 실제 용접 두께를 정할 수 있다. 도면이 없다면, 육안으로 용기에 복잡한 용접부 설계가 없는 것을 확인해야 한다. 복잡한 용접부 설계가 없다면, shell 과 heads 사이의 용접부 두께는 9/16 inch 로 이 값이 shell 과 heads 의 지배두께가 될 것이다.

7. MDMT 결정 사례들(Examples of MDMT Determinations for Existing Equipment)

- 제작도면도 없고 drum 의 육안검사도 불가능하다는 가정

- shell 과 head 의 공칭두께가 지배두께와 동일하다고 가정

Example 1: K.O. Drum Fabricated to ASME Code Section VIII, Division 1

- Shell 과 heads 는 모두 SA285 Grade C, 공칭두께 9/16 inch(지배두께로 추정한 값)인 탄소강으로 되어 있다(그림 6.의 U-1 Form).

- 복잡한 용접부와 두꺼운 보강판을 제외하고는 shell 과 heads 의 지배두께는 9/16 inch 이다(용접부의 공칭두께와 동일함). 도면이 없는 경우 현장 검사를 통해 이 가정을 확인해야 한다.

- 그림 A-1 및 ASME Section VIII, Div. 1, Figure UCS-66 에서 A285 Grade C 강은 곡선 A 에 속한다. Figure UCS-66 의 곡선 A 에서 9/16 inch 에 해당하는 MDMT 는 40℉(4.4℃)이다.

- 따라서 A285 Grade C 의 모든 제품은 두께가 단지 9/16 inch 인 한은 4.4℃ 이상에서 취성파괴의 위험이 없음을 알 수 있다. 같은 용기가 2 inch 의 두께라면 MDMT 는 거의 100℉ (37.8℃)까지 증가할 것이다. 2 inch 두께의 용기는 37.8℃에 도달할 때까지 취성파괴에 민감할 것이다.

- 이 drum 이 CET 가 4.4℃ 보다 높은 지역에 위치한다면 취성파괴의 위험은 전혀 없고 Start-up 및 Shutdown 시 특별한 주의사항이 없다.

- Start-up 이나 Shutdown 시 대기 온도가 40℉ 보다 낮을 때에는, 내압을 65 psig 이하로 유지해야 한다. 65 psig 는 163 psig 인 MAWP 의 40%값이다.(그림 5. U-1 Form, Item 11 참조)

- 기상자료가 없는 외국에서는 대기 온도가 MDMT 근처일 때는 MAWP 의 40% (Division 2 의 용기는 25%) 이하로 압력을 유지하는데 주의를 요한다.

Example 2: Assume Same Vessel was Fabricated From Different

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Material- 예 1 의 용기를 A516 Grade 60 강으로 제작했다고 가정

- 이 경우 곡선 C 가 MDMT 결정에 사용된다.- 두께 9/16 inch 의 MDMT 는 -30℉(-34.4℃)이다.- 인성이 더 강한 강재를 사용함으로써 용기를 MAWP 의 40%가 아닌 100%에서 즉시 Cold Start-up 을 하여 운전할 수 있음을 보여 주며, 이는 귀중한 시간을 단축시켜 준다.

- 보통 기온이 낮은 지방에서는 인성이 더 좋은 강재를 사용하거나 최저 일평균 온도에서 Charpy 충격시험을 행하여 Start-up 과 Shutdown 계획이 MDMT 의 영향을 받지 않도록 한다.

Example 3: Heat Exchanger Fabricated to ASME Code Section VIII, Div. 1

- Shell 의 재질 : SA516, Grade 70 탄소강이며, 공칭두께(즉 예상 지배두께)는 1/2 inch (그림 8. Item 6)이고, 길이 및 둘레 방향으로 2 개의 용접부가 있다(Item 7).

- Channel 은 SA105, Grade II 탄소강을 단조(forging)하여 제작 하였고(Item 14) 지배두께는 4¼inch 이며 둘레 방향으로 2 개의 용접부가 있다(Item 15).

- Tubesheet 는 SA105, Grade II 탄소강으로 제작하였고 두께는 6 inch 이다(Item 12). Tubesheet 에서 용접을 하지 않은 부위의 지배두께는 1½ inch 이다(6 inch 를 4로 나눈 값).

- Baffle 과 partition plate 의 재질과 두께에 대한 자료는 없는데 이는 압력이 걸리지 않는 부위 및 용접부는 MDMT 를 결정하지 않는 Chevron 의 관행 때문이다. API 579에서는 MDMT 결정시 압력이 걸리지 않는 용접부를 고려하도록 할 것이며, 만약 그렇다면 Chevron 도 이를 기꺼이 따를 것이다. 그러나 현재는 MDMT 계산 시 압력이 걸리지 않는 용접부는 무시한다.

- Channel 나 tubesheet 의 재료는 불림(Normalizing)을 한 상태로 구매가 가능하지만 U-1 Form 으로는 이 사실을 알 수 없다. 이 열교환기 제작보증서에서도 불림작업여부를 확인할 수 없으면 Channel 과 tubesheet 는 불림작업을 하지 않은 것으로 간주해야 한다. 이 경우 단조 제작한 Channel(SA105, Grade II steel)은 곡선 A 에 속한다. 4¼ inch 두께의 용접부가 있는 Channel 의 MDMT 는 118℉이다(그림 A-1 또는 ASME Section VIII, Div. 1, UCS-66 을 이용하여 구함).

- 불림을 안한 SA516 Grade 70 으로 제작한 Shell 은 곡선 B 에 해당하고, 1/2 inch 의 지배두께에 대한 MDMT 는 -5℉ (-15℃)이다.

- SA105, Grade II 로 제작한 Tubesheet 는 지배두께가 1½ inch 이며 MDMT 는 85℉(29.4℃)이다.

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- 열교환기 전체의 MDMT 는 각 구성요소의 MDMT 중 가장 큰 값을 택한다. 여기에서는 118℉이다. 금속의 온도가 118℉ 이하에서는 열교환기의 내압을 440 psig 또는 그 이하 (1100 psig 인 MAWP 의 40%, U-1 Form, Item 15)로 유지해야 한다.

8. 허용가능한 MDMT 의 감소량(Further Allowable Reduction in MDMT)

- 가끔 결정한 MDMT 값이 그 지역의 CET 보다 높을 수 있다. 이 경우 대기온도가 MDMT 보다 낮다면 용기의 압력을 MAWP 의 40% (Div. 2 의 경우 25%) 이하로 낮추어야 하기 때문에 start-up 과 shutdown 에 더 많은 시간이 소요될 것이다.

- 다행히도 MDMT 를 낮출 수 있는 3 가지 간단한 방법이 있으며, 이들은 특수한 상황에서 유용하다. 2 가지 방법은 ASME Section VIII, Div. 1 을 따르는 용기에만 적용할 수 있고, 나머지 한 개는 Div 1 과 2 를 따른 모든 용기에 적용 가능 하다.

Method 1) MDMT Reduction based on PWHT- P1 Group No. 1 또는 P1 Group No. 2 Code 의 강으로 제작된 Div. 1 용기의 MDMT 는 용접후열처리 (PWHT - Post Weld Heat Treatment) 를 했거나 지배두께가 1.5 inch 이하 이면, 추가로 MDMT 값을 30 ℉ 낮출 수 있다 . 이 것에 대한 상세 내용은 API 579 에 있다. 실제로 용접 후 열처리를 한 용기들이 열처리를 하지 않은 것 보다 취성파괴에 훨씬 덜 민감하다.

Method 2) MDMT Reductions based on Ratio of Operating Pressure to Design Pressure

- 설계압력 보다 훨씬 낮게 운전되는 Div. 1 의 용기들은 ASME Section VIII, Div. 1, Figure UCS-66.1 을 사용하여 MDMT 를 훨씬 더 낮출 수 있다 . 또 낮은 응력에서는 취성파괴가 일어날 가능성이 적기 때문에, 최대 설계압력 보다 낮게 운전되는 용기들에게는 유용하다.

- Figure UCS-66.1 을 사용하여 MDMT 를 낮추려면 먼저 허용인장응려과 설계인장응력의 비율 을 계산해야 한다. 이 비율의 계산 시 용접효율성, 내압 및 내압 이외의 하중에 의한 응력 등을 고려해야 하며 이 계산은 쉬운 편은 아니다.

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Figure 8. U-1 Form for a Company heat exchanger (pg. 1).

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Figure 8 (cont’d.). U-1 Form for a Company heat exchanger (pg. 2).

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Method 3) MDMT Reduction based on Previous Hydrotest Parameters- Div. 1 과 2 를 따르는 모든 용기들은 운전압력과 수압시험압력과의 비율을 근거로 하여 API 579 Figure 3.5 에 따라 MDMT 를 낮출 수 있다. 이 방법은 보통 시험압력(정상 운전압력의 150%) 보다 더 높은 응력에서 수압시험을 할 때 유효하다. 또 이 방법은 MDMT 를 낮추는 세 가지 방법 중 가장 적합하지 않은 방법이다.

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9. 압력용기 MDMT 결정시 특별한 경우들(Special Cases Involving MDMT Determination for Pressure Vessels)

Special Code Criteria다음은 압력용기 MDMT 결정 기준인 ASME Code Criteria 를 무시하는 특별한

경우들이다.For ASME Section VIII, Div. 1 vessels

0.098 inch 보다 얇은 강재의 MDMT 는 -50℉ 보다 더 낮은 온도에서 충격실험을 하지 않았다면 -50℉로 한다(UCS-66).

ASME/ANSI B16.5 ferritic steel flanges 의 MDMT 는 -20℉ 보다 더 낮은 온도에서 충격실험을 하지 않았다면 -20℉로 한다(UCS-66).

Bolting 한 재료의 MDMT 는 더 낮은 온도에서 충격실험을 하지 않았다면 Figure UCS-66 의 주석에 있는 impact test exemption 온도로 한다.

너트의 MDMT 는 더 낮은 온도에서 충격실험을 하지 않았다면 -50℉로 한다(UCS-66).

모재(Basemetal)의 충격실험이 필요 없더라도 용접부가 4 inch 보다 두껍다면 용접부의 충격실험은 해야 한다(UCS-66).

For ASME Section VIII, Div. 2 vessels Table AF-402.1 의 P-No.5 와 P-No.6 에서처럼 크롬을 함유한 강재의 MDMT 는 -

20℉ 보다 더 낮은 온도에서 충격실험을 하지 않았다면 -20℉로 한다(AM-213). 탄소를 0.1% 이상 포함하는 Austenitic Cr-Ni SUS 의 MDMT 는 -20℉ 보다 더 낮은

온도에서 충격실험을 하지 않았다면 -20℉로 한다(AM-213). 설계상의 응력집중(design stress intensity)이 6 ksi 보다 작으면, MDMT 는

재질에 관계없이 -50℉로 한다(AM-213).

Special Chevron Criteria다음은 압력용기 MDMT 결정의 기준이 되는 현행 Code 와 specification rules 을 무시하는 Chevron 의 예외들이다. 3/4 inch 보다 두꺼운 A285 와 A515 강재는 곡선 B 가 아니라 A 를 적용한다. 3/4 inch 보다 두꺼운 A106 배관은 불림(normalizing)을 하지 않았다면 곡선 B 가

아니라 A 를 적용한다.이러한 예외가 있는 이유는 위에서 언급한 강재들이 ASME Section VIII, Div. 1 에서 언급한 것 보다 적은 인성치를 보였기 때문이다. 이는 A285 와 A515 강과 불림을 안한

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A106 배관의 결정립들이 그림 A-1.에서 같은 곡선에 속하는 재료 보다 크기 때문이다.A515 같이 입도가 미세한 재료에서는 전혀 취성파괴가 일어나지 않았지만 그림 A-1.

에서 같은 곡선에 속해 있음에도 불구하고 A516 강은 수 많은 취성파괴 사례가 있다.다음의 두 경우에서 API 579 의 기준이 Chevron 보다 더 엄격함을 보여 준다. Chevron 은 MDMT 결정을 위해 노즐 주위의 보강판을 검사하지는 않는다. 그

이유는 보강판에서 취성파괴가 전혀 일어나지 않았으며 보통은 보강판의 두께가 얇고, 위험도가 낮은 fillet 용접이기 때문이다. 하지만 API 579 에서는 MDMT 결정시 보강판을 고려해야 한다고 언급한다.

Chevron 은 MDMT 결정을 위해 bolted heads 와 같이 용접을 안한 부위를 검사하지는 않는다. 그 이유는 취성파괴의 시발점은 실제적으로 언제나 용접부와 연관이 있기 때문이다. 하지만 이미 언급한 바와 같이 API 579 에서는 ,비록 취성파괴의 위험을 낮추기 위해 두께를 4 로 나누었을 지라도, MDMT 결정시 용접을 안한 구성요소도 고려해야 한다고 언급한다.

10. Autorefrigeration- Autorefrigeration 은, 국부적으로 금속의 온도를 급격히 떨어뜨릴 정도로 빨리 방출될 수 있는, 고압가스를 담고 있는 용기에서 발생하는 문제

- 고압가스는 용기에서 방출됨에 따라 팽창되면서 자연적으로 냉각된다.- Autorefrigeration 은 정상운전동안 가스가 유출되거나, safety valve 혹은 disk 가 파괴되면 발생할 수 있다.

- Autorefrigeration 온도 는 용기압력이 MAWP 의 40% 까지 감압 된다면 , 이 때 용기 내용물의 온도가 도달할 수 있는 값으로 정의한다 . 이 온도 이하에서 압력은 충분히 낮을 것으로 생각되며 가해지는 응력도 충분히 낮을 것이다. 따라서 취성파괴는 문제가 되지 않는다 . 이는 용기의 온도가 MDMT 보다 낮을 때 압력을 MAWP 의 40% 이하로 유지는 것과 같은 개념이다.

- Autorefrigeration 의 경우 용기의 MDMT 를 autorefrigeration 온도와 같게 설정할 필요가 없다. Autorefrigeration 온도는 MDMT 보다 낮아도 된다 . 그 이유는 용기의 누출 부위만 국부적으로 냉각되고 유출되는 동안 응력도 감소하기 때문이다.

- Autorefrigeration 의 영향을 받는 용기에서 취성파괴의 가능성을 줄이는 적절한 방법은 저온에서 고인성을 보이는 강재로 용기를 제작하는 것이다. 이 강재들은 그림 A-1. Charpy exemption Curve D 에 있는 것들이며 예를 들면 A537, normalized A516 탄소강 판재와 같은 것이다. Normalized A106 탄소강을 배관재로 쓰는 것은 훌륭한 선택이다. 저합금강 판재로는 불림과 뜨임을 한 A387 강을 선택하라.

- 주기적으로 또는 upset 조건일 때 운전 중인 설비에 얼음이 생성되는 경우가 있다면, 그 장치물은 autorefrigeration 을 겪고 있을 것이다.

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11. 상기의 방법으로 MDMT 를 결정할 수 없을 때 해야 할 일(What to Do if You Cannot Determine MDMT by the Above Methods

Find a Predetermined MDMT or Calculate One- 용기의 MDMT 를 정하는 최선의 방법은 U-1 Form 에 있는 값을 찾아내는 것이고 차선의 방법은 앞에서 했던 것처럼 Charpy impact exemption curves 를 이용하는 것이다.

- 가끔 위의 두 가지 방법을 사용해도 MDMT 를 구하지 못할 때가 있다. 예를 들면 용기의 U-1 Form 이 없고 용기 각 부위별 재질을 모르는 경우이다. 이러한 때에는 육안검사 및 측정 가능한 모든 용접부의 두께측정을 실시하고, 강재가 Charpy impact exemption curves 의 곡선 A 에 해당한다고 가정하여 직접 용기의 MPT 를 구할 수도 있다.

- 이런 방식으로 지배두께는 가장 두꺼운 용접부의 두께를 사용하고 재료의 인성치는 가장 여유가 많은 값을 취하여 MDMT 를 구할 수도 있다. 불행히도 이렇게 구한 MDMT는 너무 여유 있는 값이 되어 start-up 과 shutdown 을 지연시킬 수 있다.

“Grandfathering” Existing Equipment- 위의 방법 중 어떤 것도 만족스러운 결과를 주지 않는 다면, API RP 579 Level 2 평가법 중 Method C 를 사용할 수 있다.

- Method C 는 장기간 문제 없이 운전해 온 두껍지 않은 용기들을 계속해서 사용할 수 있는 기준을 제시 한다. 이 방법은 MDMT 를 산출하지는 않지만 용기가 정상적인 운전 조건하에서 MDMT 의 도움 없이도 계속해서 사용될(to be “grandfathered”) 수 있도록 해 준다.(From API 579 : ASME Code Section VIII, Div. 1 또는 다른 인증된 규격에 의해

제작된 압력용기에 대해서는 경험이 충분하기 때문에, 지배두께가 0.5 inch 이하이거나 다음의 조건을 만족하는 압력용기는 추가의 평가 없이 계속 사용이 가능한 것으로 간주한다.)

- 용기가 Level 2, Method C 를 만족하기 위해 필요한 사항은 다음과 같다. 재료의 충격실험 data 가 없어야 함

용기는 ASME Section VIII 혹은 제작 당시 인증된 National Code 를 따라 제작되어 졌어야 한다.

용기는 최대 650℉의 설계온도로, ASME Section VIII 의 P-1 혹은 P-3 의 강재로 제작되어야 한다.

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운전조건은 동일하게 유지되었거나 상당 기간 동안 설계치를 충족했어야 한다. 그리고 더 가혹한 운전조건은 향후에도 없어야 한다.

CET 는 -20℉ 보다 낮지 않아야 한다. 부식이 없는 부위의 공칭지배두께는 2 inch 를 초과해서는 안된다. 용기를 진동 혹은 cyclic service 에서 사용해서는 안됨(API 579 Appendix J 를 참조)

장치물이 급격히 냉각되어서는 안됨(API 579 Appendix J 를 참조)

Perform Charpy Impact Tests on Existing Material- 결국 위의 방법 중 어떤 것도 만족스럽지 않다면, 용기에서 작은 시편을 채취하여 Charpy 충격실험을 하는 것이 가능하다.

- Charpy 충격실험은 15 ft-lb 천이온도를 결정하는데 도움이 될 것이다. 경험에 의하면 15 ft-lbs 는 이미 존재하는 결함의 크기에 관계없이, 취성파괴의 위험을 제거하기에 충분한 충격인성치이다. 알려진 결함을 지닌 채 운전 중인 용기나 배관이 거의 없는 것을 고려해 볼 때, 15 ft-lb 를 기준 값으로 사용하면 충분하다.

12. 탱크 MPT 설정(Establishing MPT’s for Tanks)

- 저장탱크의 MPT 설정에는 API Standard 650 “Welded Steel Tanks for Oil Storage”를 사용해야 한다.

- 방법은 압력용기와 동일하다.- API 650 의 Figure 2-1 은 ASME Section VIII, Div. 1 의 Figure UCS-66 과 유사하다. 첨부 B 의 그림 A-4.는 Figure 2-1 에서 가장 많이 사용되는 탱크 강재들만 추린 것이다. 모든 강재와 곡선은 API 650 Table 2-3 을 참조하라.

- 최대 공칭 탱크벽두께(가장 아래 부분이 제일 두꺼움)와 그림 A-4 에서 탱크 강재에 해당하는 곡선을 사용하면, ASME Code 에서와 마찬가지로 MDMT 를 구할 수 있다.

- 한 가지 중요한 차이점은 이미 사용 중이며 내용물이 상당량 채워진 탱크의 MDMT 는 그림 A-4. 에서 구한 값에서 추가로 15 ℉ 를 뺄 수 있는 것이다 . 추가로 15℉를 빼는 것은 탱크 내부에 채워진 유체의 온도가 외부의 대기 온도까지 즉시 떨어지지 않을 것이기 때문에 가능하다. 유체의 열용량은 유한하지만 탱크의 온도를 외부 기온 보다는 높게 유지시켜 줄 것이다.

- 예를 들어 그림 A-4.에서 oil 로 채워진 탱크의 MDMT 가 -10℉라면, 외기의 온도가 -25℉에 도달하지 않는 한 탱크는 취성파괴의 위험이 없는 것으로 간주된다. 물론 외기의 온도가 상당 시간 동안 -10℉에서 -20℉ 사이의 값이라면 취성파괴의 위험은 증가한다. 이러한 상황에서는 응력을 낮추기 위해 가득찬 탱크를 어느 정도 비울 필요가

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있다.

13. 내압이 있는 배관의 MDMT 결정(Determining MDMT for Pressure-Containing Piping)

- ASME Code 에서는 모든 배관의 재질은 유사한 인성을 지니고 있다고 가정 하고 있으며 아마도 그 이유는 배관 제조시 상당한 기계적인 변형이 생기고 따라서 인성이 증가하는 경향이 있기 때문이다.

- ASME/ANSI B31.3 은 B31.3 Appendix A 의 Table A-1 에 각 재료의 온도 혹은 해당 재료의 곡선을 정의해 놓았다.

- Chevron 은 이 Codes 에 대해 몇 가지 예외를 가지고 있다. 예를 들어 Chevron 은 배관의 두께가 3/4 inch 보다 두껍지 않으면 MDMT 를 계산하지 않는다 .

ASME Code Section VIII- ASME Code 에서는 모든 배관 재들의 MPT 를 배관 재가 Div. 1, Figure UCS-66 나 Div. 2, Figure AM-218.1 의 곡선 B 에 해당한다고 가정하여 정한다.

- 이에 대한 Chevron 의 예외 규정은 3/4 inch 보다 두껍고 불림과 뜨임을 한 저합금강(1¼Cr-½Mo, 2¼Cr-1Mo 와 같은 강재)으로 제작한 배관은 곡선 A 를 사용해야 한다는 것이다.

- Chevron 은 풀림(annealing)한 저합금강으로 제작한 배관은 불림과 뜨임을 한 배관 보다 뜨임취화(temper embrittlement)에 덜 민감하다고 간주하므로, 풀림한 저합금강으로 제작한 임의의 두께의 배관은 곡선 B 에 해당한다.

ASME/ANSI B31.3 and API RP 920- ASME B31.3 의 Figure 323.2.2(여기에서는 그림 A-3.)가 배관의 MDMT 결정에 사용된다. 배관재가 속하는 곡선은 그림 A-3 혹은 B31.3 의 Appendix A, Table A-1에서 찾을 수 있다.

- 여기에 없는 강재들은 배관이 압출무계목(extruded seamless) 혹은 압출계목(extruded and seam welds)이면 “Pipes and Tubes”의 Table A-1 을 찾아보라. 판재를 Bending 하고 용접하여 만든 큰 직경의 배관에 대해서는 “Plates and Sheets” 부분의 강재를 사용하라.

- 배관(pipe), tube, plate, sheet 의 특별한 재질은 두께에 관계없이 “Min. Temp., ℉”라 이름 붙여진 란을 참조하여 Figure 323.2.2 의 곡선 중의 하나를 선택하거나 적절한 MDMT 를 정할 수 있다.

- Chevron 은 배관 MDMT 결정에 대해 예외 를 갖고 있다. 얇은 배관의 취성파괴는 일어날 가능성이 적으므로 3/4 inch 미만의 배관 MDMT 는 구하지 않는다 . 이러한

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배관들은 어떤 온도에서도 취성파괴에 대해 안전하다. 단지 3/4 inch 보다 두꺼운 배관의 MDMT 만 정하면 된다.

API Standard 650- API Standard 650 은 모든 배관과 flange 재료를 Figure 2-1, Group IIA 에 나타내었다.(여기에서는 그림 A-4.)

다음은 upstream 의 배관에 가장 일반적으로 사용되는 ASME/ANSI B31.3 을 사용하여 배관의 MDMT 를 구하는 예들이다.

Example 1: What is the MDMT for non-normalized 24” Schedule 60, A106 Carbon Steel pipe?

- 24” Schedule 60 인 배관의 공칭두께는 0.968 inch 이다. 이 배관에 불림을 하지 않았으므로, Chevron 은 ASME/ANSI 에 대한 자체의 예외 규정을 적용하여, MDMT 를 구하는데 곡선 B 가 아닌 곡선 A 를 사용하였다. 그림 A-3.의 곡선 A 에서 0.968 inch의 MDMT 는 68℉이다.

- 이 MDMT 에 따라 문제의 배관은 68℉ 미만에서 MAWP 의 40% 보다 높은 압력에서 운전되어서는 안된다. 보통, 배관의 MAWP 는 설계압력과 같을 것이다.

Example 2: What is the MDMT for 8” Standard weight, A106 Carbon steel pipe?

- 8 inch Standard weight 배관의 공칭두께는 0.322 inch 이다. 배관의 두께가 3/4 inch 이하 이므로 MDMT 계산은 필요 없다.

Example 3: What is the MDMT for 18” Schedule 80 pipe of unknown grade, but with chemistry and mechanical properties which match API 5L Grades X-52 and X-56?

- 18” Sch. 80 인 배관의 공칭두께는 0.937 inch 이다. 그림 A-3.에 API 5L 의 X grades 를 나타내었으며, 강재가 불림 또는 급냉과 뜨임(Q&T)을 한 것이라면, 곡선 B를 사용하여 MDMT 를 구할 수 있다. 열처리 유무를 알 수 없는 경우 더 여유가 있는 곡선 A 를 사용한다. 그림 A-3 의 곡선 A 에서 0.937 inch 의 MDMT 는 65℉이다.

- 문제의 배관은 65℉ 미만에서 MAWP 의 40%(혹은 설계압력) 이상에서 운전할 수 없다.

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14. 배관 MDMT 설정의 특별한 경우(Special Cases Involving MDMT Determination for Piping)

Special Code Criteria다음은 ASME/ANSI B31.3 을 따르는 pressure-containing piping 의 MDMT 결정

기준을 무시하는 예들 이다. Category D Fluid Service 에 속하는 탄소강들의 MDMT 는 더 낮은 온도에서

충격실험을 하지 않았다면 -20℉로 설정한다.(Figure 323.2.2 의 주석) 연철(ductile iron)의 최소 MDMT 는 -20℉이다.(323.4.2 절) API 5L 배관의 X Grades 와 모든 ASTM A381 재료들은 불림 또는 급냉과

뜨임작업을 했다면 Figure 323.2.2 의 곡선 B 에 해당된다.

15. 탱크 및 압력용기의 수압시험에 대한 MDMT 의 효과(Effects of MDMT on Hydrotesting of Pressure Vessels and Tanks)

Hydrotesting of Pressure Vessels- 장치물의 설계압력 또는 온도를 증가시키는 개조, 보수, 등급 재설정 및 부식에 의해 심각한 두께감소가 있을 때에 수압시험을 실시한다.

- 수압시험은 취성파괴의 위험을 제거하기 위해 충분히 따뜻한 온도에서 하는 것이 필수적이다.

- ASME Code guidelines 은 수압시험을 하는 동안 장치물의 평균금속온도가 용기의 MDMT 보다 적어도 30 ℉ 이상 유지할 것을 제시한다 .

- 안전을 위해 30℉를 추가하는 것은 수압시험 시 용기가 설계압력 보다 높은 압력(Section VII, Div. 1 의 경우 MAWP 의 150%, Div. 2 의 경우 MAWP 의 125%)에 노출되기 때문이다. 이 때에는 취성파괴의 위험이 커진다. 평균금속온도는 보통 수압시험을 하는 물의 온도로 조절한다.

- Leak 나 rupture 시 화상을 피하기 위해 120 ℉ 보다 높은 온도에서는 수압시험을 피하라.

Hydrotesting of Tanks- 탱크의 수압시험은 API Standard 653 “Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction.”에 준하여 행한다.

- Shell plates, annular plate ring, concrete ring wall, 설계 유체의 높이 보다 아래쪽에 있는 shell plates, shell-to-bottom 용접부 등의 절단, 추가, 제거 및 교체와 같은 큰 보수 혹은 개조를 한 탱크는 재사용 전에 수압시험을 해야 한다.

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- 규격에서 제시하는 수압시험의 온도가 MDMT 보다 낮을 지라도 취성파괴를 피하기 위해서 수압시험은 MDMT 보다 높은 온도에서 행해져야 한다.

- 탱크의 수압시험 온도를 MDMT 보다 높은 온도로 유지하는 것은 압력용기에서 만큼 중요하지는 않다. 그 이유는 탱크의 수압시험 시에도 정상 운전 시 보다 압력이 높지 않기 때문이다.

- 압력용기에서와 마찬가지로 탱크의 수압시험 시에도 누출되는 물에 의한 화상을 방지하기 위해 물의 최고 온도를 120℉로 유지해야 한다.

16. 신규 장치물의 강 종 선택 (Choosing Steels for New Equipment)

- 파괴인성은 강의 등급에 따라 변하므로 신규 장치물의 강재를 주문할 때에는 강의 제조기술, 조성, 열처리와 관련된 규격을 구입하여 보는 것이 필수적이다.

- 여기에서 언급한 A387, A106 등의 ASTM 규격에는 보통 강의 조성에 대한 제한은 있지만, 열처리에 대한 제한은 없다.

- 인성은 추운 기후에서 운전 시, 저온에서 사용 시, 두께가 두꺼운 용기 그리고 고압의 위험한 장치물에 아주 중요한 변수이다.

- 강재는 불림 혹은 불림과 뜨임 (N&T) 을 한 것을 구입해야 한다 . 뜨임 작업은 강의 입자를 작게 하고 조성과 미세구조를 더 균일하게 해 준다. 뜨임한 강재를 구할 수 없다며, 급냉과 뜨임(Q&T)을 한 강을 구하는 것이 차선책이다. 뜨임, N&T, Q&T 를 표기하지 않고, “as-rolled”로 공급되는 강은 결정입자를 미세화하지 않았을 뿐만 아니라 불순물의 편석도 있을 것이다. 또 “annealed”로 제공되는 강은 입자의 크기가 커서 인성이 나쁘다.

- 그림 A-1.과 A-3.의 곡선 D 또는 그림 A-2.의 곡선 V 와 같이 아래쪽의 Charpy exemption curves 에서 선택한 강은 인성이 좋을 뿐만 아니라 Charpy 충격시험을 할 필요가 없으므로 경제적이다.

- 예를 들면 ASME Section VIII, Div. 1 을 따르는 2 inch 두께의 용기가 멕시코만에서 사용되기 위해 필요한 사항들은 그림 4.와 그림 A-1.를 참조한다. 멕시코만의 CET 는 최저 일평균온도를 토대로 하면 20℉이며 이 값이 MDMT 가 된다. 그림 A-1.에 의하면 2 inch 두께 곡선 D 의 강은 -5℉ 이상에서 사용된다면 Charpy 충격실험을 할 필요가 없다. 한편 2 inch 두께 곡선 C 의 강은 약 25℉ 미만에서 사용할 경우 충격실험을 필요로 한다. 같은 두께의 곡선 B 의 강재는 62℉ 미만에서 사용할 경우 충격실험을 해야 한다.

- Normalized A516 과 같은 곡선 D 의 강재를 선택할 경우, 인성치가 매우 높을 뿐만 아니라 충격실험의 비용도 절약된다.

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17. 취성파괴, MPT, MDMT 에 대한 추가 정보(More Information about Brittle Fracture, MPT, and MDMT)다음은 취성파괴와 관련해서 추가 정보를 얻을 수 있는 곳이다.Chevron Pressure Vessel Manual

Sections 520-529, “Selecting Materials for Brittle Fracture Prevention” Sections 530-531, “Guidelines for Preventing Brittle Fracture in Existing

Equipment” and Sections 425-426, which explain some ASME Code information

concerning brittle fracture

ASME and ANSI Standard B31.3, “Refinery Piping Systems”

Chapter 3 concerning materials of construction, and

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Appendix A, “Allowable Stresses & Quality Factors for Metals”

ASME Code Section VIII, Division 1

Section UCS-66, “Materials” Section UCS-67, “Impact Tests of Welds” Section UG-84, “Charpy Impact Testing:”

ASME Code Section VIII, Division 2

Sections AM-204, “General Toughness Requirements for all Steel Products” to AM-218, “Materials Exempt from Impact Tests,” inclusive

API Recommended Practice 920, “Prevention of Brittle Fracture of Pressure Vessels.”

API Recommended Practice 579, “Assessment of Existing Equipment for Brittle Fracture,” (not yet published)

API Standard 650, “Welded Steel Tanks for Oil Storage”

API Standard 653, “Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction”

첨부 A : Charpy Impact Test Exemption Curves

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Figure A-1. A

SME Section V

III, Division 1 C

urve assignments (R

eprinted from Fig. U

CS-66 of the A

SME C

ode, Div. 1)

Figure A-2. ASME, Section VIII, Divsion 2 Curve assignments. (Reprinted from Fig. AM-218.1 of the ASME Code, Div. 2.)

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Figure A-3. A

SME/A

NSI B

31.3, Curve assignm

ents. (Reprinted from

Fig. 323.2.2 of ASM

E/AN

SI B31.3

Figure A-4. API Standard 650, Curve assignments. (Reprinted from Fig. 2-1 of API 650)

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첨부 B : 외국 표준에 의해 제작된 장치물

외국 표준을 사용한 취성파괴평가(Brittle Fracture Assessment Using Foreign Standard)다음에 가장 일반적으로 사용되는 외국의 압력용기 표준에 대해 간단히 기술하였다. Australian Standard AS1210Australian Standard AS1210 은 ASME 및 API 와 유사한 곡선들을 갖고 있다. 이

곡선들은 탄소강과 C-Mn 강으로 제작된 압력용기의 충격실험이 요구될 때 유용하다. U.S Code 에서와 마찬가지로, 충격실험은 강의 등급, 용접부의 두께와 예상 운전 온도의 함수이다. 또 용기에 실시 하는 PWHT 는 Charpy 충격실험의 실시 여부를 결정하는 인자이다.AS1210 의 Charpy impact test curves 는 첨부 C 의 그림 B-1.과 B-2.에 재인용

되었다. 그림 B-1.은 PWHT 를 하지 않은 재료에 대한 것이고 B-2.는 PWHT 를 한 재료에 대한 것이다. 그림 B-1. 아래의 “Explanatory table for curves”는 B-1.과 B-2. 모두에 해당된다. 이 표에 의하면, Charpy 충격실험을 하지 않았으면, 최소허용설계온도(DMT - design minimum temperature)를 결정하는데 곡선 A 를 사용하고, 재료가 fine-grained C-Mn 강이 아니면 곡선 B 를 사용할 수 있다.예를 들어, 정상적인 탄소강(not fine-grained C-Mn)으로 제작하고 PWHT 를

실시하지 않은 용기를 가정하자. 또 용기의 지배두께가 20mm(약 0.8 inch)라고 가정하자. 그림 B-1.에 의하면 용기의 DMT(U.S. Code 의 MDMT 와 같음)는 0℃이다. 만약 이 용기의 정상 운전 조건이 0℃ 보다 낮다면, 최저예상운전온도(lowest expected service temperature - U.S. Code 의 CET 와 같음)에서 Charpy 충격실험을 해야 한다. 이 온도에서 강재는, 항복강도가 450 MPa(약 65 ksi) 보다 작다면 적어도 27 Joules (20 ft-lbs)의 충격치가 요구되고, 항복강도가 450 MPa 보다 크면 적어도 40 Joules (30 ft-lbs)의 충격치가 요구된다.배관에 대해서는 AS1210 보다는 AS2885 를 적용한다.

British Standard BS5500그림 B-3.에 재질의 두께 및 “Design reference temperature”에 따라 ferritic

steels(탄소강과 저합금강이 속함)의 Charpy 충격실험에 필요한 온도를 나타내었다.“Design reference temperature”는 U.S. Code 의 MDMT 와 유사하지만 같지는 안하다. “Design reference temperature”는 정상 운전 중 예상되는 최저 온도(U.S. Code 의 CET)이지만 운전 응력, 용기 형태, PWHT 유무 등과 같은 그 밖의 인자에 영향을 받을 수 있다.

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Figure B-1. Design minimum temperatures for wrought, as-welded carbon steels

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and carbon-manganese steels. (AS 1210)

Figure B-2. Design minimum temperatures for wrought, PWHT’d

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Carbon steels and carbon-manganese steels. (AS 1210)

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그림 B-3 에서 reference(governing) thickness(그림의 사선)와 design reference

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Figure B-3. Im

pact test temperature requirem

ents for wrought, (a) as-w

elded and (b) PWH

T’d ferritic steels. (BS5500)

temperature (Y 축)에 해당하는 “Material impact test temperature”(X 축)를 구할 수 있다. 예를 들어, as-welded 용기의 지배두께가 20 mm 이고 design reference temperature 가 -40℃ 일 때, Charpy 충격실험은 -50℃에서 실행해야 한다. -50℃에서의 충격인성치는 AS1210 에서와 같이 재료의 항복강도에 따라 27 Joules 또는 40 Joules 보다 커야 한다.

French CODAPUnfired Pressure Vessels 에 대한 프랑스 Code 는 CODAP 로 알려져 있으며,

Charpy 충격실험의 필요 유무를 결정하는데 사용할 12 개 이상의 그래프들을 포함한다. 다른 규격에서와 마찬가지로, 이 그래프에서는 Charpy 충격실험온도를 강의 항복강도, 두께, 용기의 열처리 등과 연관 지어 놓았다.

German Codes AD Merblatt W10 & HP512Merkblatt W10 은 압력용기에 사용되는 재료들이 만족해야 할 인성치를 규정한다.

Werkblatt HP512 는 압력용기의 제조와 시험(모재의 충격실험, 용접 및 HAZ 부의 충격실험을 포함)에 대해 규정해 놓았다. 요구되는 충격인성치는 재질의 등급, 두께, 열처리에 달려 있다.

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